pobierz - ENERGOM

Jacek Murawski
Andrzej Misiewicz
PRZEMIENNIKI CZĘSTOTLIWOŚCI W UKŁADZIE
TECHNOLOGICZNYM CIEPŁOWNI O MOCY 100 MWt
THE VARIABLE FREQUENCY DRIVES IN TECHNOLOGICAL PLANTS
OF 100 MWt THERMAL POWER STATION
Streszczenie: Stosowanie regulowanych układów napędowych w pompach sieciowych źródeł ciepła jest
obecnie najczęstszym sposobem regulacji parametrów hydraulicznych. Jednak bez uporządkowania
technologii pompowania oraz właściwego doboru parametrów pomp nie można mówić o regulacji efektywnej.
W referacie przedstawiona została modernizacja układu wodnego ciepłowni o mocy 100 MWt,
z wykorzystaniem układów napędowych, pracujących wg nowych algorytmów regulacji. Konieczność
głębokiej regulacji powodowała nieuniknione spadki sprawności pomp, silników i napędów (przemienników
częstotliwości). W zmodernizowanym układzie, po wcześniejszym dostosowaniu parametrów hydraulicznych
pomp do potrzeb (charakterystyki oporu układu), z nowo dobranymi napędami, uzyskano znaczną poprawę
sprawności pompowania. Artykuł przedstawia rzeczywiste efekty energetyczne uzyskane w wyniku
prawidłowego zaprojektowania technologii i odpowiedniego doboru zespołów (pompa-silnik-przemiennik).
Prezentuje rozwiązania z zakresu zasilania, sterowania i regulacji co skutkuje poprawą sprawności
energetycznej układu technologicznego ciepłowni.
Abstract: Using of variable frequency drives is now the most common method for adjusting the hydraulic
parameters. However, without the right order in the technology systems and proper parameters selection it is
not possible to adjust with enough positive energetic effect. This paper presents the modification of hydraulic
system of 100 MWt heating plant, with the frequency variable drives, working under new steering algorithm.
The deep adjustment causes the lowering of pumps, drives and motors efficiency. In new, modernized system,
after correcting the hydraulic parameters of pumps, with the new drives, the total pumping efficiency is
growing. This paper presents the realistic energetic effects realized as an effect of the right technology projects
with new drives. It presents the solutions in the field of the electrical power supply, adjustment and steering,
causing the higher energetic efficiency of whole heating plant system.
.
Słowa kluczowe: przemienniki częstotliwości, pompy wirowe, regulacja, zasilanie elektryczne, sterowanie
Keywords: frequency converters, centrifugal pumps, adjustment, electric supply, control
zasilanie
WR 10
1
2
WR 25
3
4
5
6
~
~
~
7
~
~
~
~
~
MSC
Ze zbiornika wody
uzupełniającej
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
Przemienniki częstotliwości są obecnie
najbardziej popularnymi urządzeniami do
regulacji pomp wirowych, również w
ciepłownictwie i energetyce. Ze względu na
sposób zmiany parametrów pompy, wynikający
wprost z teorii podobieństwa, są też
urządzeniami
najbardziej
sprawnymi,
przynoszącymi najmniejsze straty regulacji. Ich
stosowanie nie jest jednak wolne od wad, a
niedopasowanie napędów do wymagań układu
powoduje, że straty regulacji układów z
przemiennikami mogą być stosunkowo
wysokie. Popularność przemienników w
regulacji układów pomp ciepłowni wynika z ich
obecnie relatywnie niskiej ceny oraz łatwości
aplikacji
[1].
Przykład
zabudowy
przemienników w układzie technologicznym
ciepłowni o mocy 100 MWt pokazuje schemat.
Widać, że wszystkie pompy przewidziane do
pracy ciepłowni są wyposażone w napędy z
przemiennikami częstotliwości. Poprzez zmianę
prędkości obrotowej zmieniają one parametry
hydrauliczne pomp, dostosowując je do
aktualnych wymagań sieci ciepłowniczej
miasta. Nie jest jednak tak, że regulacja odbywa
się „za darmo”. Przemienniki, jak i silniki oraz
pompy, są urządzeniami energetycznymi, które
zależnie od swojego obciążenia oraz głębokości
regulacji wykazują różny poziom sprawności.
~
1.Wstęp
powrót
Rys.1. Schemat technologiczny ciepłowni
o mocy 100MWt
Sprawność regulowanego przemiennikiem
zespołu pompowego jest iloczynem sprawności
składowych (pompy, silnika, przemiennika)
i można ją zapisać równaniem:
z = ηp ∙ ηs ∙ ηf
(1)
Znamienne jest to, że im większa głębokość
regulacji oraz im większe niedociążenie mocą,
tym sprawność ta jest mniejsza [2]. Pokazuje to
rysunek 2.
skutkowało koniecznością pracy „na wyższy
opór” i dodławianiu kotła o mniejszym oporze.
Analiza sytuacji doprowadziła do postawienia
tezy o istnieniu znacznych rezerw w zakresie
możliwości
poprawy
efektywności
energetycznej.
Poprawę układu zdecydowano się dokonać
poprzez ingerencję w:
- technologię układu i zindywidualizowanie
funkcji pomp,
- zmianę infrastruktury elektrycznej,
- zmianę algorytmów sterowania i sposobów
regulacji.
Rys.2 Sprawność zespołu pompowego
regulowanego przemiennikiem [2]
Rys.3. Głębokość regulacji pomp sieciowych.
(rysunek pana Adama Głębockiego)
2. Nowa technologia pompowania
Układ technologiczny został tak przebudowany,
że każda pompa (zespół pomp) został
dedykowany do jednego oporu hydraulicznego.
Pompy sieciowe mają pokonywać opory sieci,
pompy przewałowe kotłów tylko opory kotłów,
pompy zmieszania gorącego tylko opory
instalacji zmieszania.
zasilanie
WR10
1
2
WR 25
3
5
4
6
7
~
~
~
~
~
~
MSC
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
Ze zbiornika
wody
uzupełniającej
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
Analiza zależności (1) wskazuje, że dla
uzyskania regulacji wysokosprawnej nie
wystarczy jedynie zastosowanie przemiennika.
Musi on być odpowiednio dobrany do
wymaganego zakresu zmian parametrów.
Głębokość regulacji wynika z kolei z dynamiki
zmian parametrów regulowanych, w przypadku
pomp
ciepłowniczych,
z
wysokości
podnoszenia oraz przepływu.
W układzie ciepłowni pompy muszą zapewnić
uzyskanie
wymaganego
ciśnienia
dyspozycyjnego Hd na wyjściu ze źródła, oraz
pokonać własne opory hydrauliczne urządzeń
wytwórczych (kotłów) Hk i straty instalacji
własnej
(rurociągi,
armatura)
ΔHr.
Charakterystyka taka ma zawsze kształt
paraboliczny [3].
W prezentowanym przykładzie pompy musiały
pokonywać szeregowy opór hydrauliczny
kotłów i sieci.
HR = Hk + Hd + Hr
(2)
Nałożenie
na
siebie
minimów
i maksimów składowych oporów, powodowało
zwiększanie głębokości regulacji i tym samym
spadek sprawności zespołów (pompa - silnik przemiennik). Głębokość regulacji została
pokazana na wykresie współpracy pomp
(rys.3). Dodatkowym źródłem strat było to, że
współpracujące ze sobą opory równoległe
(kotły WR10 i WR25) były różne, co
powrót
Rys.4. Schemat dedykowanych do
poszczególnych urządzeń zespołów pompowych
w układzie technologicznym ciepłowni
Uzyskano w ten sposób zmniejszenie
głębokości regulacji poszczególnych pomp oraz
zmniejszenie
ich
mocy
nominalnych.
Współpraca pomp sieciowych regulowanych
przemiennikami została pokazana na rysunku 5,
natomiast pomp przewałowych kotłów na
rysunku 6. W przypadku pomp sieciowych
wykorzystano regulację >50 Hz do uzyskania
chwilowo wymaganych, wyższych parametrów
hydraulicznych i rezerwowania.
Rysunek nr 7 pokazuje praktycznie stałą
sprawność zespołów pompowych, w szerokim
zakresie zmian przepływów (od 700 do 1300
m3/h). Dopasowanie pomp i napędów do
wymagań,
bez
zbędnych
nadwyżek
parametrowych, miało decydujące znaczenie
z punktu widzenia sprawności układu
i późniejszych kosztów pompowania.
3. Układy regulacyjne
Rys.5. Praca pomp sieciowych regulowanych
przemiennikami. Wykorzystanie regulacji >50
Hz do rezerwowania
Indywidualizacja
zakresu
pracy
pomp
spowodowała zastosowanie odpowiednich
układów automatycznej regulacji. Układy
zostały dobrane ściśle do zadań, które realizują
pompy.
Dla
zapewnienia
prawidłowej
i optymalnej pracy ciepłowni zastosowano:
układ regulacji ciśnienia wody do sieci
miejskiej, układy regulacji przepływu przez
kotły oraz zmieszania gorącego dla kotłów
(WR10 i WR25). Schemat technologiczny z
układami regulacji przedstawia rysunek nr 8.
PI
FI
FI
1
FI
3
FI
4
FI
FI
6
5
7
MSC
~
~
M
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
Rys.7. Sprawność zespołów pompowych
w polu regulacji
~
~
TI
~
Rys.6. Praca pompy przewałowej kotła WR25
z przemiennikiem. Charakterystyka obciążenia
w środku pola regulacji
Na uwagę zasługuje fakt, że charakterystyki
pomp zostały tak dobrane, żeby maksimum
sprawności
zespołów
znajdowało
się
w
obszarze
najczęściej
występujących
przepływów.
~
~
~
TI
~
~
~
~
~
~
~
~
Rys.8. Schemat technologiczny z układami
automatycznej regulacji
3.1 Regulacja ciśnienia do sieci miejskiej
Podstawowym
układem
automatycznej
regulacji pracy ciepłowni jest układ ciśnienia
wody do sieci miejskiej.
Do realizacji tego zadania zastosowano pompy
sieciowe
wyposażone
w
przemienniki
częstotliwości. Każda z pomp została
dopasowana tak, aby w sposób optymalny
(pracując z możliwie najlepszą sprawnością)
zapewnić konieczne parametry zasilania sieci
ciepłowniczej.
Ponadto
we
wszystkich
pompach
sieciowych
wyrównano
charakterystyki energetyczne, co jest bardzo
ważne z punktu widzenia procesu regulacji za
pomocą tych urządzeń [4].
W regulatorze sygnał pomiaru ciśnienia lub
różnicy ciśnień wody na bieżąco porównywany
jest z wartością zadaną wpisaną przez
operatora. Wypracowany sygnał regulujący
zmienia prędkość obrotową silników pomp
sieciowych
za
pomocą
przemienników
częstotliwości [5]. Dzięki temu układ regulacji
przeciwdziała zmieniającym się warunkom
ciśnieniowym w sieci ciepłowniczej utrzymując
je na zadanym przez operatora poziomie.
Wyrównane
charakterystyki
pomp
pozwalają na ich prawidłową pracę
równoległą (pompy nie „konkurują” ze
sobą i pracują z jednakowym obciążeniem).
Charakterystyczną cechą tego układu regulacji
jest to, że pracujące pompy sterowane są tym
samym sygnałem sterującym - prędkość
obrotowa wszystkich pracujących pomp
w danym układzie jest taka sama. Po włączeniu
do pracy dowolnej pompy, układ regulacji
zapewnia zsynchronizowanie punktu pracy
wszystkich pracujących pomp na nowym, takim
samym dla każdej pompy poziomie prędkości
obrotowej. W pewnych obszarach pracy całego
układu źródło-sieć, osiągnięcie zadanych
parametrów przez pompy jest możliwe przy
pracy jednej lub dwóch, albo dwóch lub trzech
pomp. Z tego względu, a także ze względu
bezpieczeństwa, o włączeniu i wyłączeniu
każdej pompy decyduje operator. Decyzję
podejmuje na podstawie bieżącej analizy
warunków obiektowych.
3.2 Regulacja przepływu przez kotły
Kolejną regulacją zastosowaną w ciepłowni jest
kontrola przepływu wody przez kotły. Zadany
przez operatora przepływ przez kocioł (kotły)
utrzymywany jest przez zespół pomp
przewałowych zamontowanych przed samymi
kotłami.
Niezależny
regulator
steruje
prędkością obrotową każdej pompy przy
pomocy dobranego do mocy przemiennika
częstotliwości i silnika.
3.3 Regulacja temperatury wlotowej do
kotłów
Innym układem regulacji zastosowanym na
obiekcie jest układ utrzymania stałej
temperatury na wlocie do kotłów - układ
zmieszania gorącego. Pompy zmieszania
gorącego podają część gorącej wody zza kotła
(o temperaturze 130 oC) bezpośrednio do
kolektora ssącego pomp przewałowych.
Ważnym elementem w tym układzie jest wybór
lokalizacji
czujnika
temperatury
wody
w kolektorze przed kotłami. Czujnik powinien
być umieszczony w takim miejscu, aby było
pewne, że w punkcie pomiaru woda jest dobrze
wymieszana, a jej temperatura jest wiarygodną
dla różnych wariantów pracy ciepłowni.
Układ regulacji temperatury na wlocie do
kotłów, zależnie od jej wahań, reguluje
wydajność pomp przez zmianę prędkości
obrotowej w celu osiągnięcia założonej
wartości temperatury. Również w tym
przypadku do regulacji prędkości obrotowej
pomp wykorzystano dobrane do mocy urządzeń
przemienniki
częstotliwości
i
silniki.
Utrzymanie temperatury wody odbywa się
niezależnie dla kotłów WR10 i WR25.
Regulacja temperatury wody do sieci miejskiej
jest wartością wynikową. Jednak jej utrzymanie
można w pewien sposób zautomatyzować,
wprowadzając układy regulacji temperatury
wylotowej bezpośrednio na kotłach.
3.4 Regulacja ciśnienia powrotu
Jedną z najważniejszych regulacji w ciepłowni
realizuje
układ
stabilizacji
ciśnienia
w rurociągu powrotnym z sieci miejskiej. Od
jakości jego pracy zależy prawidłowe
funkcjonowanie wcześniej opisanych układów
regulacji. Ten niepozorny układ (napędy nie są
większe niż 3 kW) pozwala na ustabilizowanie
ciśnienia wody w kolektorach ssących pomp
sieciowych. Skutkiem czego, regulacja pomp
głównych (z napędami o znacznych mocach
130-200 kW) odbywa się stabilnie, bez
zbędnych przeregulowań i oscylacji.
ZU
PU
STEROWNIK
~
PUS
~
~
~
3kW
~
~
0,75kW
PIC
KOLEKTOR POWROTNY
Rys.9.Układ automatycznej regulacji ciśnienia
na powrocie miejskiej sieci ciepłowniczej
Pośrednio układ stabilizacji ciśnienia w źródle
połączony jest z układem uzupełniania, którego
zadaniem jest zapewnienie uzupełnienia
ubytków w sieci ciepłowniczej.
3.5 System nadzoru i sterowania
Wszystkie sygnały pomiarowe z aparatury
kontrolno-pomiarowej
zamontowanej
na
obiektach, sygnały z układów sterowania,
sygnalizacji oraz układy automatycznej
regulacji zaimplementowano w sterowniku
PLC. Jego zadaniem jest bezpieczne
prowadzenie
procesu
technologicznego
związanego z obiegiem wodnym ciepłowni.
Sterownik połączony jest z komputerowym
systemem sterowania, regulacji i archiwizacji
SCADA,
zrealizowanym
w
postaci
komputerów stacji operatorskiej i obiektowych
paneli
operatorskich
z
dedykowanymi
aplikacjami. Na poszczególnych ekranach
operator ma dostęp do bieżących parametrów
procesu
technologicznego,
sygnalizacji
alarmowej, układów sterowania i regulacji.
Ponadto
w stacji prowadzony jest proces
archiwizacji danych i raportowania stanu
urządzeń.
Rys.10. Schemat wizualizacji w stacji
operatorskiej
Szafy sterujące, sterownik oraz stacje i panele
operatorskie zasilane są z sieci napięcia
gwarantowanego przyłączonej do UPS-a.
4. Informacje o stanie pracy pomp
Do prawidłowej eksploatacji pracy pomp
sieciowych niezbędne jest prowadzenie stałej
diagnostyki.
Monitoring
podstawowych
parametrów pracy pomp dostarcza informacji
o procesie eksploatacji urządzeń, pozwala
podjąć decyzję o prowadzeniu działań
remontowych i naprawczych. Głównymi
parametrami pracy pomp są: ciśnienia wody na
ssaniu i tłoczeniu pompy, przepływ wody przez
pompę, prędkość obrotowa pompy i pomiar
mocy elektrycznej (zużywanej przez zespół
przemiennik, silnik i pompa). Do pomiaru
prędkości obrotowej zastosowano enkodery,
połączone bezpośrednio z wałem silnika, które
zapewniają rzeczywisty pomiar obrotów
pompy. Ponadto dodatkowo można wyposażyć
zespół pompowy w pomiary: temperatury
łożysk pompy i silnika, temperatury uzwojeń
silnika oraz pomiary drgań pompy. Zebrane
w ten sposób dane z każdego agregatu
pompowego i poddane analizie w systemie
komputerowym,
zapewniają
informacje
o bieżącym stanie i zużyciu pompy.
FI
EP
111
111
PI
112
SI
111
PS
~
~
~
TI
112
SI
M
112
TI
TI
113
111
PI
111
Rys.11. Schemat opomiarowania pojedynczej
pompy
Kolejny niezwykle ważny parametr pracy
całego zespołu pompowego (przemiennik,
silnik, pompa) - sprawność - jest dostępny
w systemie komputerowym w wyniku obliczeń
ilorazu
mocy
hydraulicznej
(przepływ
x wysokość podnoszenia pompy) przez
dostarczoną do układu moc elektryczną,
pochodzącą z układu pomiarowego.
Ponadto
dzięki
wprowadzeniu
danych
podstawowych możliwa jest bieżąca kontrola
punktu pracy pompy w dozwolonym zakresie
pracy. Czytając chwilowy przepływ przez
pompę, znając wysokość podnoszenia pompy
(różnicę między ciśnieniem ssania i tłoczenia)
oraz prędkość obrotową pompy można
wyznaczyć bieżący punkt pracy pompy. Punkt
pracy powinien znajdować się w obszarze
pomiędzy
wydajnością
minimalną
a maksymalną pompy, znaną z charakterystyki
energetycznej. Praca w tym obszarze zapewnia
optymalne, pod względem sprawnościowym,
wykorzystanie pompy. Znając punkt pracy
pompy, na wykresie w stacji operatorskiej
można określić „odległość” od obszarów
przeciążenia i niedociążenia pompy.
Znajomość pól pracy pomp i ich wzajemne
położenie pozwala operatorowi prowadzić
eksploatację pomp w sposób prawidłowy,
utrzymując je w obszarze optymalnych
sprawności.
5. Zasilanie pomp
Zmiana technologii pompowania ciepłowni
spowodowała dopasowanie i dobór nowych
jednostek pompowych, o zmniejszonych
mocach
elektrycznych.
Dzięki
temu
zrezygnowano z silników zasilanych napięciem
6 kV i rozdzielnicy średniego napięcia.
Koniecznym było zmodernizowanie istniejącej
rozdzielnicy
niskiego
napięcia,
łącznie
z wymianą transformatorów na urządzenia
większej
mocy.
Do
zmodernizowanej
rozdzielnicy przyłączono nowe silniki pomp,
zasilane przez przemienniki częstotliwości.
Rezygnacja z napięcia 6 kV na obiekcie oraz
modernizacja istniejącej rozdzielnicy nn
poprawiła
bezpieczeństwo,
niezawodność
i pewność zasilania urządzeń. Ponadto
wyeliminowane zostały koszty związane
z eksploatacją, konserwacją i remontami
urządzeń zasilanych napięciem 6 kV.
6. Efekty modernizacji
W wyniku uporządkowania technologii, zmiany
parametrów
pomp
i
przemienników,
dopasowania infrastruktury elektrycznej oraz
zmiany sposobu regulacji uzyskano znaczące
efekty energetyczne (tabela).
Tabela
Zużycie energii przez wszystkie pompy nowego
układu w okresie 01.11.2014 do 31.10.2015 (pełny
rok)
l.p.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Typ pompy w
układzie
Sieciowa
(obiegowa)
Przewałowa
kotła WR 25
Zmieszania
gorącego kotła
WR25
Przewałowa
kotła WR 10
Zmieszania
gorącego kotła
WR10
Stabilizacji i
uzupełniania
Razem:
Oznaczenie
PO1
PO2
PO3
PP6
PP7
PM1
PM2
PP1
PP2
PP3
PP4
PM3
PM4
P12
P13
P14
Energia
(kWh)
105 633
95 951
240 198
49 823
43 029
32
32
18 637
23 326
18 840
20 423
2
2
6 711
2 283
5 091
630 019
Średnie zużycie energii elektrycznej, przez
stary układ pompowy, z 3 lat 2010 do 2012,
wynosiło:
Eśr = 1.128.480 kWh/rok
Efekt energetyczny uzyskany w jednym
roku:
Ee = 498.461 kWh
7. Wnioski
- Zastosowanie przemienników częstotliwości
w napędach zespołów pompowych ciepłowni,
bez uporządkowania technologii pompowania
oraz likwidacji nadwyżek parametrowych
pomp, nie gwarantuje uzyskania pełnych
efektów energetycznych.
- Ze względu na charakterystykę oporów
hydraulicznych korzystnie jest zmniejszać
głębokość regulacji poprzez dobór pomp do
poszczególnych,
odrębnych
parametrowo
układów i urządzeń (sieć, kotły, zmieszanie
gorące).
- Wysokość efektów zależy również od
zastosowanych rozwiązań z zakresu zasilania
i sterowania. Szczególnie istotny jest dobór
odpowiednich algorytmów układów regulacji
przemiennikami dla poszczególnych zespołów
pompowych.
Literatura
[1].M.Skowroński „Układy pompowe”, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, str.247,
2009.
[2].W.Misiewicz, A.Misiewicz „Napędy regulowane
w układach pompowych źródeł ciepła”, Krajowa
Agencja Poszanowania Energii, str.25, 2008.
[3].W.Jędral „Pompy wirowe”, Wydawnictwo
Naukowe PWN, str.223, 2001.
[4].W.Misiewicz
„Wybrane
zagadnienia
optymalizacji układów pompowych i ich regulacja
zmienoobrotowa”, Maszyny elektryczne - Zeszyty
Problemowe nr 78”, str.48, 2007.
[5].Z.Bajorek „Maszyny elektryczne”,Wydawnictwo
Naukowo-Techniczne, str. 228, 1980.
Podziękowania
Autorzy składają podziękowanie Dyrekcji
PEC Stargard Szczeciński za zgodę na
upowszechnienie danych eksploatacyjnych
ciepłowni, natomiast Panu mgr inż.
Adamowi Głębockiemu za ich staranne
przygotowanie.
Autorzy
inż. Jacek Murawski, Elektromontaż Toruń Sp.
z o.o., 87-100 Toruń, ul. Na Zapleczu 20
email: [email protected]
dr inż. Andrzej Misiewicz, Zakład Przepływowych
Maszyn Energetycznych ENERGOM s.c., 58-100
Świdnica, ul. Ślężańska 13
e-mail: [email protected]